Elektromosságot vezető szerves polimerek a XXI. század műanyag fémei Fából vaskarika? KÉMIA szabadegyetem március 22.
POLIMEREK: ismétlődő egységekből, monomerekből felépülő nagyméretű molekulák, melyekben az egységeket kémiai kötések kapcsolják össze
Pirrol, savgőz, PANI (1862) Letheby Dall Olio (1968) vizes kénsav oldatban elektrolízis útján - ún. fekete pirrol sószerű Szerves anyagok elektrokémiai oxidációja - fekete réteg (polimerizáció) szigetelő - aktív felület csökkenése, nemkívánatos mellékfolyamat (az áramhatásfokot csökkenti), elkerülendő Shirakawa (1977) a poliacetilén vezetése jódgőz hatására 10 nagyságrenddel nő: 10 3 S/m! Diaz (1979) elektrokémiai szintézissel PPy
Műanyag fémek avagy fából vaskarika
Konjugáció: egyszeres és kettős kötések Alap- és oxidált állapot Műanyag fémek avagy fából vaskarika
Elektrokémiai átalakítás -reverzibilis 300 200 100 I / 0-100 -200-500 0 500 1000 E / mv
A vezetés változása Műanyag fémek avagy fából vaskarika
A látható fény elnyelésének változása - oxidáció Műanyag fémek avagy fából vaskarika
Abszorbancia A redukció során 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 300 400 500 600 700 800 900 Hullámhossz (nm)
m / g A polimerfilm tömegváltozása 12 10 A 0,54153 0,04528 B 6,79177E-4 3,94701E-6 --------------------------------- R = 0,99771 SD = 0,19142, N = 138 P = 5,29056E-161 8 6 4 2 0 5000 10000 15000 20000 Q / C
A szintetikus fémek - ki- és bekapcsolhatók Műanyag fémek avagy fából vaskarika
Reverzibilisen átalakíthatók - kémiai oxidáns pl. I 2 P + X. = P + X - Polimerrel módosított elektródok - elektrokémiai átalakítás P + X - = P + X - + e - hatására anionok - elektroneutralitás
a polaron képződése: N 0 = P + + e - a bipolaron képződése: P + = B 2+ + e - a polaronok kölcsönhatása: P + + P + = PP ++
a láncnövekedés két lehetősége: az oxidált film monomerrel vagy annak oxidált formájával kapcsolódik? 1.9 V 1.4 V
Alkalmazásaik
Színváltó üveg, okos ablak (smart window)
LED képernyős televíziók, világító GPS térkép Műanyag fémek avagy fából vaskarika
Feltekerhető, flexibilis képernyő Szerves polimerből készült tranzisztor
Összetett anyagok, polimer alapú kompozitok, hibridek
Intensity Elektromosan vezető polimereken alapuló összetett anyagok Lehetőség arra, hogy kombináljuk a vezető tulajdonságot optikai/mágneses/fotokatalitikus/biokatalitikus tulajdonságokkal 600 500 400 300 4 3 200 100 2 1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
conductivities Stabilizált vezetésű elektrokatalizátor 3.0 2.5 electric S/cm 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 Műanyag fémek avagy fából vaskarika 0 1 2 3 4 5 Ag content % heat W/K.m
lg(s/s 0 ) Megnövelt vezetésű hibrid 6 4 2 0 0% 1% 2% 3% 4% 5% Ag [mass%]
I photo / A I/ A -200 Fotoelektrokémiai oxigéndetektor -250-300 -258 A -350-355 A -400-450 0-500 0 200 400 600 800 1000 t/s -50-100 -150 y = -19.81 x - 13.95 R 2 = 0.96-200 -250-300 -350-400 -450 0 5 10 15 20 O 2 /mg l -1
I ( A) A fény a hidrogén-peroxid bomlását katalizálja 10 5 mv/s 0-10 -20-30 -40 N 2 atmoszféra O 2 atmoszféra O -50 2 atmoszféra + megvilágítás -1,2-1,0-0,8-0,6-0,4-0,2 0,0 0,2 0,4 E (V) vs Ag/AgCl
I ( A) Foto-elektrokémiai hidrogén-peroxid érzékelő 0-10 - 0.2 V - 0.3 V -20-30 I = -0.1665 A M -1 * c - 5,76 *10-6 A R 2 =0,9985-40 -50-60 I = -0.1734 A M -1 * c - 14.64 *10-6 A R 2 =0,9954-70 -80-90 0 100 200 300 400 c H 2 O 2 ( M)
Hajtóerő a beépüléshez és a stabil kompozit kialakításához magnetit A B
Lehetőség biomolekulák immobilizálására magnetit borított magnetit PPy / B12 / magnetit
m g Tömegnövekedés a polimerizációk során 6 5 4 Polypyrrole Polypyrrole + magnetite Polypyrrole + magnetite + B12 B12 15 m/m % Fe 3 O 4 27 m/m % 3 2 1 0 0 5 10 15 20 25 30 t / s
G. Gershwin C. Visy: Chemistry in blue
Mágneses elektród
Hangolható mágnesesség
Hibridek alkalmazási lehetőségei a megújuló energiák hasznosítása terén p/n félvezetők alkotta napelemek Tüzelőanyag-cellák katódja O 2 -redukció Termoelektromos áramtermelés
PEDOT / TiO 2 hibrid - p/n heterojunction A nanocsőkötegek beborítása A p-típusú félvezető a polimer Az n-típusú: TiO 2 nanocső köteg
Current density / A cm -2 I / ma Absorbance Elektroaktivitás és reflexiós UV-látható színkép 1,0 0,8 0,6 0,4 5 10 25 mv/s 50 100 PEDOT 0,2 0,0-0,2 TiO 2 + PEDOT -0,4-0,6-0,8-0,6-0,4-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 E / V vs. Ag/AgCl 200 300 400 500 600 700 800 Wavelength / nm TiO 2 200 180 Foto-elektrokémiai aktivitás 160 140 120 100 80 light off light on 70 A cm -2 50 s 60 40 20 0-20 -0,8-0,6-0,4-0,2 0,0 0,2 0,4 Potential / V
I / A Polipirrol / Fe 3 O 4 hibrid - katód O 2 -redukció kulcsszerepe a tüzelőanyag-elemekben Magnetit nanorészecskék beépítése vezető polimerekbe Fotokatalitikus aktivitású új elektród -12 PPy / Fe 3 O 4-16 dark -20-24 -28-32 illuminated -36 300 400 500 600 700 800 900 t / s
U/mV Termoelektromos anyagok Bi 2 Te 3 (~250 μv/k) Politiofén 25 20 Y = (1.283 ± 0.001)X +(-9.976 ± 0.016) r = 0.9998, F = 2301536 15 10 5 0 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 T/K
Kémiai Nobel díj 2000. Alan MacDiarmid ( ), Hideki Shirakawa, Alan Heeger
Köszönöm a figyelmet.